Некоммерческое акционерное общество

 

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра электроники и компьютерных технологий

 

ДИСКРЕТНЫЕ АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

И УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу “Электроника и схемотехника аналоговых устройств”

для студентов всех форм обучения специальностей

050704 – Вычислительная техника и программное обеспечение,

050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

СОСТАВИТЕЛЬ: У.Т.Шанаев. Дискретные активные элементы электроники и усилительные каскады. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу “Электроника и схемотехника аналоговых устройств” для студентов всех форм обучения специальностей 050704 – Вычислительная техника и программное обеспечение, 050719 – Радио-техника, электроника и телекоммуникации.

 

В методических указаниях представлены описания лабораторных работ по исследованию характеристик дискретных активных элементов полупроводниковой электроники и усилительных устройств на дискретных элементах, выполнение которых определяет фундаментальную основу профессионального образования по первой части курса “Электроника и схемотехника аналоговых устройств”. Они составлены в соответствии с требованиями квалификационной характеристики специалиста, Государственных стандартов, педагогико-психологических основ организации и проведения лабораторных занятий. Предлагаемые лабораторные работы выполняются как посредством организации практических экспериментов на стенде PU-2000 фирмы Degem Systems, так и путем проведения виртуальных исследований с помощью системы моделирования Electronics Workbench.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов всех форм обучения специальностей 050704, 050719. Они могут быть использованы и для организации лабораторных занятий по идентичным темам аналогичных дисциплин, запланированных для других специальностей.

Введение

Предлагаемые в методическом руководстве рабочие задания к лабораторным занятиям проверены большой практикой преподавания автора и испытаны временем.

Предлагаемые лабораторные работы выполняются как посредством организации практических экспериментов на стенде PU-2000 фирмы Degem Systems, так и путем проведения виртуальных исследований с помощью системы моделирования Electronics Workbench.

Лабораторные занятия организовываются в форме экспериментальных исследований, которые выполняются посредством проведения практических измерений и наблюдений на стенде PU-2000 фирмы Degem Systems, а также посредством моделирования исследуемых устройств  в программной среде Electronics Workbench, т.е. путем осуществления виртуальных экспериментов.

Различные формы организации учебного исследования направлены на расширение знаний студентов по элементам и устройствам электроники и формирование  у них соответствующих практических и исследовательских навыков. Выполнения учебных исследований как в виде практических, так и в виде виртуальных экспериментов создает возможность для организации лабораторных занятий в случае недостаточной обеспеченности лабораторным оборудованием. В таком случае одной половине студентов учебной группы можно предложить выполнение практической части эксперимента, а другой – выполнить виртуальные исследования, а затем им поменять учебные задания. Предлагаемые в методическом руководстве задания по выполнению виртуальных исследований с помощью системы моделирования Electronics Workbench в достаточном объеме обеспечивают выполнение целей и задач лабораторных занятий, что создает условия и для самостоятельного применения их в случае учебно-производственной необходимости (например, в случае отсутствия лабораторного оборудования).

По выполненному учебному исследованию подготавливается отчет. Отчет должен содержать схемы исследования, измеренные и рассчитанные данные, графические построения, определенные (измеренные и рассчитанные) параметры исследуемого элемента или устройства  и краткие ответы на вопросы.

1 Лабораторная работа 1. Полупроводниковый диод

1.1   Цель работы:

-       исследование свойств полупроводникового диода при его прямом и обратном включении;

-       построение и анализ вольтамперной характеристики (ВАХ) полупроводникового диода;

-       определение основных параметров диода по его вольтамперной характеристике;

-       анализ различных режимов работы диода по его вольтамперной характеристике.

1.2   Рабочее задание

1.2.1     Исследования на стенде Degem Systems

1.2.1.1         Получить данные для построения вольтамперной характеристики диода и построить ее.

1.2.1.2         По построенной ВАХ диода определить следующие его параметры: пороговое напряжение Vth (threshold voltage), статические RF и динамические RD сопротивления диода при указанных в методических указаниях значениях напряжения прямого смещения.

1.2.1.3         Исследовать выпрямительные свойства диода.

1.2.1.4         Построить вольтамперную характеристику стабилитрона и по ней определить его основные параметры.

1.2.2     Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

1.2.2.1         Получить ВАХ диода 1N4009 путем использования осциллографа в режиме характериографа.

1.2.2.2         По полученной ВАХ диода определить следующие его параметры: пороговое напряжение Vth (threshold voltage), напряжение пробоя VBR (breakdown), динамическое сопротивление диода при прямом смещении RF, сопротивление утечки RDR (drain) при обратном смещении.

1.2.2.3         Получить ВАХ диода 1N4009 при более высокой температуре и проанализировать ее изменения по сравнению с характеристикой при комнатной температуре, полученной ранее.

1.2.2.4         Получить ВАХ стабилитрона 1N4734 путем использования осциллографа в режиме характериографа.

1.3   Оборудование рабочего места:

-       лабораторный стенд PU-2000;

-       съемная плата EB-111;

-       соединительные провода и перемычки;

-       мультиметр;

-       функциональный генератор;

-       двухлучевой осциллограф;

-       компьютер с загруженной программной средой Electronics Workbench.

1.4    Методические указания к выполнению работы

1.4.1     Краткие сведения из теории

Полупроводниковые диоды могут быть смещены прямо или обратно. Идеальный диод при прямом смещении можно представить как коротко замкнутый участок, а при обратном смещении – как разрыв цепи. Реальный диод при прямом смещении имеет определенное сопротивление, которое зависит от конкретных значений тока и напряжения на диоде. Это сопротивление называется статическим сопротивлением. Диод является нелинейным элементом, поэтому его свойства изображают с помощью вольтамперной характеристики (ВАХ) и по ней определяют соответствующие его параметры.

Для снятия ВАХ диода (или любого другого нелинейного двухполюсника) проще всего измерять напряжение на диоде, подключив к нему через резистор регулируемый источник напряжения и устанавливать различные значения его напряжения. Ток диода при этом можно измерить с помощью амперметра или вычислить из выражения

.

(1.1)

Изменив полярность включения диода, можно снять ВАХ диода и в обратном направлении по той же методике.

Наиболее быстро и удобно можно получить ВАХ диода, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа, используя его в качестве характериографа. При этом на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается напряжение на диоде, а на вертикально отклоняющие пластины – напряжение, снимаемое с резистора с сопротивлением 1 Ом или с датчика тока, преобразующего ток в напряжение. Поскольку напряжение на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах, по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока.

На диод наряду с определенным смещением может подаваться и переменный сигнал. В этом случае диод характеризуется динамическим сопротивлением, которое определяется наклоном его ВАХ в рабочей точке по постоянному току.

Одной из важных областей применения полупроводниковых диодов – преобразование переменного тока в постоянный с помощью выпрямительных цепей. Для объяснения работы выпрямителя удобно использовать понятие об идеальном диоде. В половине периода переменного тока диод будет смещен прямо, и если его считать его идеальным, то он ведет себя подобно коротко замкнутому участку цепи. Так как на таком участке падение напряжения не происходит, поэтому входное напряжение полностью передается на выход цепи, т.е. к нагрузочному резистору. Если диод не является идеальным, то он действует подобно резистору и поэтому только часть входного напряжения передается на выход цепи. В следующей половине периода  переменного тока диод будет смещен обратно, поэтому идеальный диод ведет себя подобно разомкнутому участку цепи и на выход цепи никакое напряжение не передается. Если диод не является идеальным, то он действует подобно резистору с высоким сопротивлением и поэтому на выход цепи передается небольшая часть входного напряжения. Сказанное очень удобно пронаблюдать с помощью осциллографа.

Среднее значение выходного напряжения (постоянная составляющая) однополупериодного выпрямителя вычисляется по формуле

(1.2)

а для двухполупериодного выпрямителя оно вдвое больше.

Стабилитроны разработаны для работы в области обратного пробоя. Когда диод обратно смещен, то по нему протекает ток очень малой величины, обусловленный неосновными носителями. При возрастании обратного напряжения до определенной величины возникает пробой диода. При пробое ток возрастает очень быстро, но падение напряжения на диоде почти не изменяется. Стабилитроны используются для создания опорных напряжений и в стабилизаторах напряжения.

При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора. Ток стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе, как и в случае с диодом, т.е. по формуле (1.1).

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.

1.4.2     Порядок выполнения рабочего задания

К п.1.2.1.1. Установите съемную плату EB-111 на лабораторный стенд и выясните на ней размещение цепи с диодом D1. Соедините мультиметр в качестве амперметра в схему, как показано на рисунке 1.1. Напряжение на диоде можно измерить с помощью осциллографа, подавая измеряемое напряжение на его первый канал. Для повышения точности измерения этого напряжения лучше использовать мультиметр.

Рисунок 1.1

Рисунок 1.2

Включите источник питания лабораторного стенда. Устанавливая приведенные в таблице 1.1 значения прямого смещения диода потенциометром источника питания PS-1, напишите измеренные данные в таблицу.

Т а б л и ц а  1.1

VF, V

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

IF, mA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Измените схему для исследования обратного смещения диода, соответственно рисунку 1.2.

Устанавливая различные значения обратного смещения диода регулировкой потенциометра источника питания PS-2, напишите измеренные данные в таблицу 1.2.

Т а б л и ц а  1.2

VR, V

0

-1

-5

-10

IR, μA

 

 

 

 

По полученным данным постройте вольтамперную характеристику диода. Ввиду различия размерностей токов при прямом и обратном смещении диода, соответствующие участки ВАХ диода IF = f (VF) и IR = f (VR) необходимо строить в разных масштабах.

К п.1.2.1.2. По построенной ВАХ диода определите значение порогового напряжения VD, а также вычислите статические RF и динамические RD сопротивления при следующих значениях напряжения прямого смещения: VF = 0.5 V и VF = 0.65 V.

К п.1.2.1.3. Выясните на плате размещение цепи с диодом D2. Соедините генератор сигналов к разъемам Vin и выберите синусоидальную форму сигнала с установкой его амплитуды на 2 V и частоты на 200 Hz. Соедините канал 2 осциллографа для измерения напряжения Vin, а канал 1 – для измерения напряжения на нагрузке R3, как показано на рисунке 2.1.

Рисунок 1.3

Включите источник питания лабораторного стенда. Пронаблюдайте формы входного и выходного напряжений цепи в одинаковом масштабе и нарисуйте их в рабочую тетрадь. (Это можно осуществить и посредством фотографирования изображения на экране осциллографа с помощью мобильного телефона с соответствующими возможностями.) Обратите внимание на различие амплитуд этих сигналов и объясните причину этого.

К п.1.2.1.4. Выясните на плате размещение цепи со стабилитроном D3. Соедините R6 к регулируемому источнику напряжения PS-1, как показано на рисунке 1.4. Подключите канал 1 осциллографа к выводам PS-1 а канал 2 – к диоду.

Рисунок 1.4

Включите источник питания лабораторного стенда. Устанавливая приведенные в таблице 1.3 значения напряжения PS-1, измерьте напряжение Vz на стабилитроне D3  и напишите измеренные данные в таблицу.

Т а б л и ц а  1.3

Vin, V

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Vz, V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iz, mA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислите значения тока на стабилитроне по закону Ома  для всех значений входного напряжения, указанные в таблице 1.3 (R6=150 Ohm).

Постройте характеристику стабилитрона в виде зависимости Iz = f (Vz). По построенной характеристике стабилитрона определите значение напряжения стабилизации (стабилизационного пробоя) и его дифференциальное сопротивление.

Прежде чем приступить к выполнению следующих пунктов рабочего задания, выполняемых в программной среде Electronics Workbench, ознакомьтесь с технологией подготовки схемы в этой среде (см. п.1.4.3).

К п.1.2.2.1. Построить ВАХ диода в системе моделирования Electronics Workbench можно было бы путем сбора данных по прямым измерениям, т.е. аналогично проделанному эксперименту на макете. Но система моделирования Electronics Workbench позволяет достичь этого намного быстрее.

Соберите схему для непосредственного получения прямой и обратной ветвей ВАХ диода с помощью преобразователя тока в напряжение I/U (рисунок 1.5). На рисунке изображены необходимые установки осциллографа. Приучайтесь самостоятельно определять эти установки.

Получите прямой и обратный ветви ВАХ диода. Для получения прямой ветви ВАХ диода амплитуду сигнала установите на 20 mA, а для обратной ветви – на 20 μA.

Полученные участки характеристики обработайте с помощью программы Paint: нанесите наименования осей с соответствующими единицами измерения, значения делений на этих осях, необходимые построения для определения параметров.

 

 

 

Рисунок 1.5

К п.1.2.2.2. По полученной ВАХ диода определите значения порогового напряжения VD и обратного пробоя диода, вычислите его статические RF и динамические RD сопротивления при следующих значениях напряжения прямого смещения: VF = 0.625 V и VF = 0.725 V, а также сопротивление утечки RL при обратном смещении.

К п.1.2.2.3. Температуру диода установите в опции Analysis Setup в свойствах диода и получите соответствующую характеристику.

К п.1.2.2.4. ВАХ стабилитрона можно получить непосредственно на экране осциллографа аналогичным методом, который использовался при исследовании диода (рисунок 1.6). Для получения ВАХ cтабилитрона амплитуду входного сигнала установите на 10 V.

Рисунок 1.6

1.4.3     Технология подготовки схемы в системе моделирования Electronics Workbench

Процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Для открытия каталога нужной библиотеки необходимо подвести курсор мыши к соответствующей иконке и нажать один раз ее левую кнопку. Необходимый для создания схемы значок (символ) компонента переносится из каталога на рабочее поле программы движением мыши при нажатой левой кнопке. Для изменения параметров компонента (сопротивление резистора, напряжение и частоту источника и т.д.) необходимо два раза щелкнуть мышью по символу его графического изображения и в раскрывающемся после этого окне внести изменения и подтвердить выбор нажатием кнопки OK или клавиши Enter. На этом этапе необходимо предусмотреть место для размещения контрольных точек и иконок контрольно-измерительных приборов.

После размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения курсор мыши подводится к выводу компонента и после появления узла соединения в виде точки нажимается левая кнопка и появляющийся при этом проводник протягивается к выводу другого компонента до появления на нем такого же узла, после чего кнопка мыши отпускается, и появляется необходимое соединение. Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику, то проводник от вывода компонента курсором подводится к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопка мыши отпускается. Компонент можно присоединить к существующему проводнику и путем наложения, т.е. подвести его к проводнику и отпустить кнопку мыши.

Можно вывести от схемы отдельные внешние выводы. Для этого в библиотеке Basic выбирается точка (символ соединения) и переносится на рабочее поле, после чего ее присоединяют к схеме. Также можно поступить в случае необходимости соединения двух проводников между собой. Чтобы точка почернела (первоначально она имеет красный цвет), необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего поля. Если эта точка действительно имеет соединение с проводником, то она окрашивается черным цветом. Если на ней виден след от пересекающего проводника, то соединения нет и точку необходимо установить заново. Если соединение нужно разорвать, курсор подводится к одному из выводов компонента или к точке соединения и при появлении узла нажимается левая кнопка, проводник отводится на свободное место рабочего поля, после чего кнопка отпускается.

Точка соединения может быть использована не только для подключения проводников, но и для введения надписей (например, указания величины тока в проводнике, его функционального назначения и т.п.). Для этого необходимо дважды щелкнуть по точке и в раскрывшемся окне ввести необходимую запись, причем запись можно смещать вправо путем введения слева нужного количества пробелов. Это свойство может быть использовано и в том случае, когда позиционное обозначение компонента (например C1, R10) накладывается на рядом проходящий проводник или другие элементы схемы.

Если необходимо переместить отдельный сегмент проводника, к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка и после появления в вертикальной или горизонтальной плоскости двойного курсора производятся нужные перемещения.

Подключение к схеме контрольно-измерительных приборов производится аналогично.

Для таких приборов, как осциллограф или логический анализатор, соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку их цвет определяет цвет соответствующей осциллограммы. Цветные проводники целесообразны не только для обозначения проводников одинакового функционального назначения, но и для проводников, находящихся в разных частях схемы (например, проводники шины данных до и после буферного элемента).

Осциллограф раскрывается двойным щелканием его символа.

Для измерения амплитуд сигналов необходимо пользоваться расширенным вариантом   осциллографа,   который можно    получить   нажатием кнопки Expand. После этого визирную линейку необходимо подвести к тому месту на оси времени, где сигналы имеют максимальное значение, в результате чего значения сигналов в этот момент времени (в данном  случае их амплитудные значения) появляются в окошке под экраном осциллографа (VA1 и VB1).

1.5   Вопросы

1. Сравните токи и напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

2. Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода?

3. Что характеризует значение порогового напряжения диода и как оно определяется?

4. Объясните различие значений статического сопротивления диода, определенных при различных значениях напряжения прямого смещения.

5. Как определяется динамическое сопротивление диода?

6. Объясните изменения ВАХ диода с температурой.

7. Объясните выпрямительные свойства диода.

8. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

9. Как влияет падение напряжения на диоде на выходное напряжение выпрямителя?

10. В каком режиме работают стабилитроны?

11. Для выполнения каких задач используются стабилитроны?

12. Объясните процессы, происходящие в стабилитроне?

13. Объясните различие между электрическим и тепловым пробоем?

14. Какими параметрами характеризуются стабилитроны?

2 Лабораторная работа 2. Биполярный транзистор

2.1   Цель работы:

-       исследование зависимости тока коллектора транзистора от тока базы;

-       анализ зависимости коэффициента усиления транзистора по постоянному току (статического коэффициента передачи тока) от тока базы;

-       получение входных и выходных характеристик транзистора;

-       определение коэффициента передачи транзистора по переменному току;

-       анализ различных режимов работы транзистора по его характеристикам;

-       определение основных параметров транзистора по его характеристикам.

2.2   Рабочее задание

2.2.1     Исследования на стенде Degem Systems

2.2.1.1         Построить входную характеристику транзистора.

2.2.1.2         Определить коэффициент передачи транзистора по току.

2.2.1.3         Исследовать возможности использования транзистора в качестве источника тока.

2.2.1.4         Построить выходные характеристики транзистора при различных значениях базового тока.

2.2.2     Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

2.2.2.1         Получить входную характеристику транзистора 2N3904.

2.2.2.2         Получить семейство выходных характеристик транзистора 2N3904.

2.3   Оборудование рабочего места:

-       лабораторный стенд PU-2000;

-       съемная плата EB-111;

-       соединительные провода и перемычки;

-       мультиметр;

-       двухлучевой осциллограф;

-       компьютер с загруженной программной средой Electronics Workbench.

2.4    Методические указания к выполнению работы

2.4.1     Краткие сведения из теории

Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, характеризуется статическим коэффициентом передачи тока, который вычисляется по измеренным значениям токов базы и коллектора

.

(2.1)

Для идеального транзистора β выражается единственным значением. У реальных транзисторов значение β изменяется при изменении базового тока.

Параметры транзистора определяются по его характеристикам. Дифференциальное входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы

.

(2.2)

Зависимости коллекторного тока транзистора от базового тока и коллекторного напряжения выражают его выходные характеристики. Эти зависимости описываются семейством соответствующих характеристических кривых.

Коэффициент передачи по переменному току определяется отношением приращения коллекторного тока к вызывающему его приращению базового тока

.

(2.3)

2.4.2     Порядок выполнения рабочего задания

К п.2.2.1.1. Вставьте съемную плату EB-111 в лабораторный стенд и выясните на ней размещение цепи с транзистором Q1. Соедините мультиметр в качестве амперметра в схему, как показано на рисунке 2.1. Подключите канал 1 осциллографа к цепи для измерения напряжения на входе транзистора.

Рисунок 2.1

Включите источник питания лабораторного стенда. С помощью потенциометра RV1 установите приведенные в таблице 2.1 значения базового тока и измеренные значения базового напряжения напишите в таблицу.

Т а б л и ц а   2.1

IB, μA

0

5

10

20

50

100

160

UBE, V

 

 

 

 

 

 

 

По измеренным данным постройте входную характеристику транзистора в виде зависимости IВ = f (VВЕ). По построенной характеристике вычислите входное сопротивление транзистора.

К п.2.2.1.2. Установите значение напряжения PS-1 равным 10 V, измеряя его на втором канале осциллографа (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2

Устанавливая потенциометром RV1 приведенные в таблице 4.2 значения базового тока, измерьте соответствующие значения коллекторного напряжения и напишите их в таблицу 2.2. Для получения базового тока больше 100 μA используйте источник с напряжением 12 V.

Т а б л и ц а   2.2

IB, μA

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

VCE, V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IC, mA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β=IC/IB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислите соответствующие значения коллекторного тока, используя закон Ома для резистора R5: , R5 = 470 Ohm.

Вычислите коэффициент передачи по току β транзистора.

Постройте зависимость  коэффициента передачи по току транзистора от базового тока.

К п.2.2.1.3. Соберите схему, изображенную на рисунке 2.3, и установите напряжение PS-1, равным 2 V. Отрегулируйте RV1 для получения коллекторного тока 2 mA.

Рисунок 2.3

Устанавливая напряжение PS-1 соответственно приведенным в таблице 2.3 значениям, измерьте коллекторный ток и напишите их в таблицу.

Т а б л и ц а   2.3

PS-1, V

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

IC, mA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Постройте зависимость коллекторного тока от напряжения источника питания в виде зависимости IС = f (VPS-1).

К п.2.2.1.4. Соберите схему, изображенную на рисунке 2.4. Установите в cхему источник VBB с напряжением 5 V. Закоротите резистор R5 перемычкой или проводом.

Рисунок 2.4

Установите  RV1 для получения базового тока 10 μA. Уберите амперметр, заменив его перемычкой.

Установите напряжение PS-1 0.5 V. Соедините амперметр в коллекторную цепь. Напишите значение коллекторного тока в таблицу.

Устанавливая напряжение PS-1 соответственно приведенным в таблице 2.4 значениям, напишите соответствующие значения коллекторного тока в таблицу. Резистор RV1 не трогать.

Устанавливая приведенные в таблице 2.4 значения базового тока, повторите измерительный опыт.

Т а б л и ц а   2.4

 

IB, μA

10

20

40

60

80

100

IC, mA

 

 

 

UCE, V

0.5

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

Постройте семейство выходных характеристик транзистора IC = f (UCE) для каждого значения базового тока. По построенному семейству выходных характеристик транзистора определите три режима его работы (активный, насыщения и отсечки).

На одном из характеристик (при постоянном базовом токе) определите коэффициент передачи тока.

К п.2.2.2.1. Соберите схему для снятия входной характеристики транзистора (рисунок 2.5). Установите параметры сигнала функционального генератора и осциллографа соответственно изображенному на рисунке.

Рисунок 2.5

Включите моделирование. Пронаблюдайте формы входного и выходного напряжений цепи и зарисуйте их в рабочую тетрадь в одинаковом масштабе. Полученную характеристику обработайте с помощью программы Paint: наименования осей с соответствующими единицами измерения, значения делений на этих осях, необходимые построения для определения параметров.

По характеристике определите входное сопротивление транзистора.

К п.2.2.2.2. Соберите схему для снятия выходной характеристики транзистора (рисунок 2.6). Установите параметры сигнала функционального генератора и осциллографа соответственно изображенному на рисунке.

Рисунок 2.6

Устанавливая приведенные в таблице 2.4 значения базового тока, снимите выходную характеристику транзистора для каждого значения базового тока. Полученные характеристики удобно собрать в программу Paint путем наложения.

По характеристикам определите выходное сопротивление транзистора и коэффициент передачи по току.

2.5   Вопросы

1. Объясните структуру и принцип работы биполярного транзистора.

2. Какими соотношениями связаны токи в биполярных транзисторах?

3. В каких режимах может работать биполярный транзистор?

4. Одинаково ли значение входного сопротивления транзистора в любой точке входной характеристики?

5. Какими параметрами характеризуется биполярный транзистор и как они определяются?

6. Объясните принцип непосредственного получения входной и выходной характеристик транзистора в программе Electronics Workbench.

3 Лабораторная работа 3. Полевой транзистор

3.1   Цель работы:

-       построение стоковых характеристик полевого транзистора;

-       построение передаточных характеристик полевого транзистора;

-       определение сопротивление канала полевого транзистора;

-       применение полевого транзистора в качестве элемента аттенюатора;

-       определение проходного сопротивления полевого транзистора.

3.2   Рабочее задание

3.2.1     Исследования на стенде Degem Systems

3.2.1.1         Исследовать стоковые характеристики полевого транзистора.

3.2.1.2         Исследовать передаточные характеристики полевого транзистора.

3.2.1.3         Определить сопротивление канала полевого транзистора.

3.2.1.4         Исследовать работу полевого транзистора в схеме аттенюатора.

3.2.2     Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

3.2.2.1         Получить передаточную характеристику полевого транзистора J2N3922.

3.2.2.2         Получить стоковые характеристики полевого транзистора J2N3922.

3.3   Оборудование рабочего места:

-       лабораторный стенд PU-2000;

-       съемная плата EB-111;

-       соединительные провода и перемычки;

-       мультиметр;

-       функциональный генератор;

-       двухлучевой осциллограф;

-       компьютер с загруженной программной средой Electronics Workbench.

3.4    Методические указания к выполнению работы

3.4.1     Краткие сведения из теории

Действие полевого транзистора проявляется двояко. При низких значениях напряжения сток-исток UDS (в эксперименте используется транзистор с каналом n-типа) сопротивление канала RDS остается постоянным. При более высоких напряжениях UDS, начиная со  значения UP, значение стокового тока не изменяется. Первое явление используется в качестве управляемого сопротивления, а второе – в усилителях или источниках тока.  

3.4.2     Порядок выполнения рабочего задания

К п.3.2.1.1. Вставьте съемную плату EB-112 в лабораторный стенд и выясните на ней размещение цепи, приведенной на рисунке 3.1. Соедините в схему амперметр и вставьте указанные перемычки.

Рисунок 3.1

Регулировкой источника PS-2 установите напряжение затвор-исток  UGS = 0. При различных значениях напряжения сток-исток UDS, устанавливаемых регулировкой источника  PS-1, запишите значения стокового тока в таблицу 3.1.

Повторите опыт для всех значений UGS, приведенных в таблице.

По измеренным данным постройте стоковые характеристики транзистора в виде зависимости стокового тока от напряжения сток-исток ID = f (UDS). По построенной характеристике для случая UGS = 0 определите значение напряжения перегиба UP характеристики и ток канала IDSS при этом.

Т а б л и ц а  3.1

UGS, V

UDS, V

0

0.1

0.25

0.5

1.0

2.0

5

10

ID, mA

0

 

 

 

 

 

 

 

 

–0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

–1.0

 

 

 

 

 

 

 

 

–1.5

 

 

 

 

 

 

 

 

–3

 

 

 

 

 

 

 

 

 К п.3.3.1.2. По измеренным данным постройте передаточные характеристики транзистора в виде зависимости ID = f (UGS) при трех значениях UDS (0.1 V, 1 V и 10 V). По построенным характеристикам для каждого значения UDS определите напряжения отсечки UGS(OFF) и максимальный стоковый ток  IDSS.

К п.3.2.1.3. Соберите схему на рисунке 3.2 для определения сопротивления канала RDS и установите напряжение источника PS-1 равным 1 V. Измерьте стоковое напряжение UDS, запишите его в таблицу 3.2.

Рисунок 3.2

Т а б л и ц а  3.2

VPS-1, V

VDS, mV

RDS(on), Ohm

1

 

 

2

 

 

Вычислите сопротивление RDS(ON) по следующей формуле

где R3 =10 kOhm.

Измените напряжение источника PS-1 до 2 V и повторите измерения и вычисление. Изменилось ли RDS(ON)? Почему значение напряжения UDS должно быть низким?

К п.3.2.1.4. Соберите схему аттенюатора (рисунок 3.3) и присоедините к ее входу функциональный генератор. Установите его на режим формирования синусоидального сигнала с частотой 1 kHz и амплитудой 100 mV со смещением 100 mV.

Устанавливая приведенные в таблице 3.3 значения напряжения UGS, измерьте и запишите значения напряжений на входе и выходе аттенюатора. Изменяется ли UDS линейно?

Увеличьте  UIN до 1.5 V со смещением 1.5 V. Изменяя значение UGS от 0 V до –5 V, пронаблюдайте изменения выходного сигнала UDS. Объясните причины возникших искажений.

Рисунок 3.3

Т а б л и ц а  3.3

VGS, V

Vin, mV

VDS, mV

0

 

 

–1

 

 

–2

 

 

–3

 

 

–4

 

 

–5

 

 

К п.3.2.2.1. Соберите схему, изображенную на рисунке 3.4. Установите амплитуду сигнала генератора на 2 V. Получите характеристики при различных значениях UDS (1.5 V, 1.0 V, 0.5 V, 0.2 V) и скопируйте их.

По полученным характеристикам транзистора определите его основные параметры.

 

Рисунок 3.4

К п.3.2.2.1. Соберите схему, изображенную на рисунке 3.5. Получите характеристики при различных значениях UGS (0.7 V, 0.4 V, 0.2 V, 0 V) и скопируйте их.

 

Рисунок 3.5

3.5   Вопросы

1. Объясните структуру и принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

2. Какими характеристиками иллюстрируется действие полевого транзистора? Изобразите их.

3. Чем объясняется большое значение входного сопротивления полевого транзистора?

4. Какими параметрами характеризуется полевой транзистор и как они определяются?

5. Почему полевые транзисторы могут быть использованы в качестве управляемых сопротивлений?

6. Какова структура МДП-транзисторов?

4 Лабораторная работа 4. Транзисторный усилительный каскад

4.1   Цель работы:

-       определение режима работы транзистора в усилительном каскаде;

-       определение основных параметров транзисторного каскада по экспериментальным данным.

4.2   Рабочее задание

4.2.1     Исследования на стенде Degem Systems

4.2.1.1         Установить рабочую точку транзистора по постоянному току, обеспечивающую работу усилительного каскада без искажений.

4.2.1.2         Проанализировать влияния изменения рабочей точки на характеристики усилительного каскада.

4.2.1.3         Исследовать усиление переменного сигнала усилителем.

4.2.2     Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

4.2.2.1         Рассчитать и установить рабочую точку транзистора по постоянному току.

4.2.2.2         Исследовать характер усиления переменного сигнала усилителем в различных режимах работы транзистора.

4.3   Оборудование рабочего места:

-       лабораторный стенд PU-2000;

-       съемная плата EB-111;

-       соединительные провода и перемычки;

-       мультиметр;

-       функциональный генератор;

-       двухлучевой осциллограф;

-       компьютер с загруженной программной средой Electronics Workbench.

4.4    Методические указания к выполнению работы

4.4.1     Краткие сведения из теории

Свойства усилителя определяется выбором рабочей точки по постоянному току. Режим, в котором работает усилительный каскад, можно определить, построив его нагрузочную линию на семействе выходных характеристик транзистора.

Одним из наиболее распространенных на практике способов задания рабочей точки транзистора в усилительном каскаде является использование делителя напряжения (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1

Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой

.

(4.1)

Ток базы определяется из выражения

.

(4.2)

Ток коллектора связан с током эмиттера выражением

.

(4.3)

Напряжение на базе транзистора определяется выражением

.

(4.4)

Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. При известных значениях сопротивлений R1 и R2 ток базы транзистора определяется выражением

.

(4.5)

Если , то можно использовать следующие выражения для расчета RЭКВ и напряжения на базе транзистора в режиме постоянного тока

,         .

(4.6)

Ток эмиттера определяется по закону Ома

.

(4.7)

Значение напряжения между коллектором и эмиттером вычисляется по закону Кирхгофа

.

(4.8)

Для получения симметричного переменного выходного сигнала усилителя напряжение на коллекторе VCE должно быть приблизительно равным половине напряжения источника коллекторной цепи.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада  определяется отношением амплитуд выходного сигнала к входному

.

(4.9)

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд входного напряжения и входного тока

.

(4.10)

Значение дифференциального выходного сопротивления усилителя находится по напряжению холостого хода Uхх на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивлении нагрузки, превышающем 200 kOhm, и по напряжению Uout, измеренному для данного сопротивления нагрузки RL, из следующего уравнения, решаемого относительно Rout

.

(4.11)

Сопротивление  можно считать разрывом в цепи нагрузки.

Режим насыщения характеризуется низким падением напряжения UCE. В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе RC падения напряжения. Следовательно, напряжение UCE в режиме отсечки максимально и равно напряжению источника питания.

4.4.2     Порядок выполнения рабочего задания

К п.1.2.1.1. Вставьте съемную плату EB-111 в лабораторный стенд и выясните на ней размещение цепи с транзистором Q4. Соберите схему, изображенную на рисунке 4.2. Установите напряжение источника PS-1, равным 10 V. Регулировкой потенциометра RV3 установите коллекторное напряжение, примерно равным половине коллекторного источника, т.е. VCE = 5 V.

Измерьте представленные в таблице 4.1 значения величин. 

Т а б л и ц а   4.1

Измерения

VBE, V

VCE, V

VR16 = VE, V

VR13, V

 

 

 

 

Рисунок 4.2

По измеренным данным вычислите представленные в таблице 4.2 значения величин.

Т а б л и ц а   4.2

Вычисления

, mA

R14 = 4.7 KOhm

, μA

R13 = 22 KOhm

 

 

 

 К п.4.2.1.2. Измените установку RV3 в сторону увеличения и уменьшения. Проведя соответствующие измерения, отметьте влияние изменения параметра RV3 на VC и VCE и напишите ваши наблюдения. Объясните причины возникших изменений.  

Регулировкой потенциометра RV3 восстановите напряжение VCE = 5 V. Измерьте напряжения  VC и VR14 и напишите их. Сделайте вывод о результатах измерения.

К п.4.2.1.3. Соберите схему, изображенную на рисунке 4.3, и присоедините к ее входу функциональный генератор. Установите его на режим формирования синусоидального сигнала с частотой 2 kHz.

Рисунок 4.3

Временно отсоедините генератор. Установите RV3 на получение VCE = 5 V и восстановите соединение генератора. Отрегулируйте выходной сигнал генератора на получение неискаженного сигнала на коллекторе с амплитудой 2 V.

Вычислите коэффициент усиления по напряжению для переменного сигнала при различных значениях RL и напишите результат в таблицу 4.3. Срисуйте формы сигналов.

 

Т а б л и ц а   4.3

RL

KV

KI

KP

4.7 kOhm

 

 

 

680 Ohm

 

 

 

Вычислите коэффициент усиления по току: . При этом считаем, что  (пренебрегая базовым сопротивлением транзистора). R13 = 22 kOhm, а сопротивление R12 необходимо измерить. .

Вычислите коэффициент усиления по мощности через значения коэффициентов усиления по току и напряжению: .

Отсоедините конденсатор С2 и отметьте характер изменения коэффициента усиления по напряжению.

Отсоединив генератор, установите RV3 на получение VCE = 8 V и восстановите соединение генератора. Срисуйте формы сигналов. Объясните причину искажения.

Ответьте на вопрос: Вышел ли транзистор из активного режима работы? Если да, то в каком режиме он находится?

Отсоединив генератор, установите RV3 на получение VCE = 2.5 V. Если диапазон изменения RV3 недостаточен для этого, то закоротите R11 перемычкой. Восстановите соединение генератора. Установите генератор на получение искаженного сигнала. Срисуйте формы сигналов. Объясните причину возникшего искажения. В каком режиме находится транзистор?

Повторите опыт с коллекторным сопротивлением на 680 Ohm вместо 4.7 кOhm, поменяв соединение R14 на R15. Если диапазон изменения RV3 недостаточен для установки необходимой рабочей точки, то закоротите R11 перемычкой.

К п.4.2.2.1. Соберите схему для задания рабочей точки транзистора по постоянному току с помощью делителя напряжения (рисунок 4.4).

Включите схему и запишите результаты измерений в таблицу 4.4. Вычислите коэффициент передачи по току β.

Вычислите значение напряжения на базе транзистора UB, получаемое с помощью делителя напряжения. Исходя из этой величины, и с учетом, что UBE0 = 0.7 V, вычислите ток эмиттера и по соотношению между токами транзистора рассчитайте ток коллектора. По рассчитанным значениям токов эмиттера и коллектора вычислите значение напряжения между коллектором и эмиттером UCE. Результаты расчетов напишите в таблицу. Сравните значения измеренных и рассчитанных величин.

Измените значение сопротивления R1, чтобы перевести транзистор в режимы насыщения и отсечки. Запишите результаты измерений в таблицу 4.4.

 

Рисунок 4.4

Т а б л и ц а   4.4

Режим

R1, kOhm

UB, V

UCE, V

IB, μA

IC, mA

IE, mA

β

активный

 

 

 

 

 

 

 

акт.расчет

 

 

 

 

 

 

 

насыщения

 

 

 

 

 

 

 

отсечки

 

 

 

 

 

 

 

К п.4.2.2.2. Соберите схему на рисунке 4.5 и включите ее в работу. Зарисуйте формы входного и выходного сигналов.

Определите амплитуды входного и выходного сигналов и по полученным результатам вычислите коэффициент усиления усилителя по напряжению. Результат запишите в таблицу 4.5.

Т а б л и ц а   4.5

RL

Uin, V

Uout, V

KV

Rout

200 kOhm

 

 

 

 

2 kOhm

 

 

 

Измените нагрузку (RL = 2 kOhm) и по результатам измерений амплитуд входного и выходного сигналов вычислите новое значение коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Используя результаты измерений амплитуды выходного сигнала при двух значениях нагрузки, вычислите выходное сопротивление усилителя.

Изменив сопротивление резистора R1 в 2-3 раза в одну и другую сторону, зарисуйте полученные осциллограммы. Объясните полученные результаты.

Рисунок 4.5

Отсоедините конденсатор С3 и зарисуйте полученные осциллограммы и объясните происшедшие изменения выходного сигнала.

4.5   Вопросы

1. Объясните структуру и принцип работы усилительного каскада.

2. Какими параметрами характеризуется усилительный каскад?

3. Какие условия необходимо обеспечить для того, чтобы усилитель работал без искажений?

4. Как влияет выбор рабочей точки транзистора по постоянному току влияет на форму выходных сигналов усилительного каскада?

5. Как задается рабочая точка транзистора по постоянному току?

6. Какую роль играет конденсатор, подключенный в эмиттерную цепь транзистора?

7. Каково назначение конденсаторов С1 и С2?

8. Как практически определяется выходное сопротивление усилительного каскада?

5 Лабораторная работа 5. Частотные характеристики усилителя

5.1   Цель работы:

-       построение амплитудно-частотной характеристики усилителя;

-       определение времени нарастания выходного усилителя;

-       наблюдение частотных искажений сигнала.

5.2   Рабочее задание

5.2.1     Исследования на стенде Degem Systems

5.2.1.1         Построить частотную характеристику усилителя классическим способом и исследовать влияние на нее отрицательной обратной связи.

5.2.1.2         Определить время нарастания выходного сигнала усилителя по временным диаграммам выходного сигнала и исследовать влияние на него отрицательной обратной связи.

5.2.2     Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

5.2.2.1         Получить частотную характеристику усилителя в режиме моделирования анализа по переменному току и исследовать влияние на нее емкостных элементов в схеме усилителя.

5.2.2.2         Определить время нарастания выходного сигнала усилителя использованием измерительных возможностей осциллографа и исследовать влияние на него емкостных элементов в схеме усилителя.

5.3   Оборудование рабочего места:

-       лабораторный стенд PU-2000;

-       съемная плата EB-111;

-       соединительные провода и перемычки;

-       мультиметр;

-       функциональный генератор;

-       двухлучевой осциллограф;

-       компьютер с загруженной программной средой Electronics Workbench.

5.4    Методические указания к выполнению работы

5.4.1     Краткие сведения из теории

Из-за присутствия емкостных элементов в схеме усилителей или из-за паразитных емкостей в них возникают так называемые частотные искажения (или по другому, линейные искажения). Напоминаем, что искажения, обусловленные неудачным заданием рабочей точки по постоянному току, назывались нелинейными искажениями. Частотные искажения усилителя выражаются в том, что синусоидальные сигналы различных частот усиливаются в нем по разному, т.е. коэффициент усиления не остается постоянным во всем диапазоне частот.

Частотные свойства усилителя характеризуются его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). По этой характеристике определяются полоса пропускания усилителя и его нижний и верхний границы. Основное влияние на отклик усилителя в низкочастотной области оказывают разделительные и блокирующие конденсаторы, а при высоких частотах – емкостные свойства транзисторов и различные паразитные емкости, присутствующие в схеме.

Частотные искажения усилителя проявляются в неадекватном изменении формы сложных сигналов (например, прямоугольных импульсов) на его выходе, т.е. несоответствием форм входного и выходного сигналов. Это свойство усилителя характеризуется временем нарастания его выходного сигнала при подаче на его вход прямоугольных сигналов.

5.4.2     Порядок выполнения рабочего задания

К п.5.2.1.1. Вставьте съемную плату EB-111 в лабораторный стенд и выясните на ней размещение цепи с транзистором Q4. Соберите схему, изображенную на рисунке 5.1. Установите напряжение источника PS-1, равным 10 V. Регулировкой потенциометра RV3 установите VCE = 5 V.

Установите генератор на формирование синусоидального сигнала с частотой 1000 Hz и отрегулируйте его амплитуду, чтобы получить сигнал на коллекторе с амплитудой 3 V (измерять осциллографом). Запишите амплитудное значение входного сигнала Vin = ____.

Устанавливая представленные в таблице 5.1 значения частот входного сигнала, запишите в таблицу амплитудные значения выходного сигнала усилителя. Входное напряжение не изменять.

Т а б л и ц а   5.1

F,kHz

0.02

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

20

50

100

U, V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ku

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По полученным данным постройте АЧХ усилителя в виде зависимости Ku = f (F) и определите нижние и верхние границы FL и Fu (lower, upper) полосы пропускания. При построении АЧХ по горизонтальной оси выберите логарифмический масштаб, что позволит сжать график.

Отсоедините конденсатор С2 для включения отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току. Установите частоту синусоидального сигнала генератора на 1000 Hz и отрегулируйте его амплитуду на получение  сигнала на коллекторе с амплитудой 1.5 V. Запишите амплитудное значение входного сигнала Vin = ____.

Рисунок 5.1

Запишите в таблицу амплитудные значения выходного сигнала при представленных в таблице 5.2 значениях частот входного сигнала. Входное напряжение не изменять.

Т а б л и ц а   5.2

F,kHz

0.02

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

20

50

100

U, V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ku

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По полученным данным усилителя с ООС по переменному току постройте соответствующую АЧХ и определите ее параметры.

Сравните полученные результаты и сделайте выводы.

К п.5.2.1.2. Установите генератор на формирование прямоугольного сигнала с частотой 1000 Hz и отрегулируйте его амплитуду, чтобы получить сигнал на коллекторе с амплитудой 3 V. Восстановите соединение конденсатора С2.

Пронаблюдайте и зарисуйте формы входного и выходного сигналов с помощью осциллографа. По временной диаграмме выходного сигнала определите время его нарастания trise (rise).

Отсоедините конденсатор С2 для включения отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току. Отрегулируйте амплитуду входного сигнала на получение  сигнала на коллекторе с амплитудой 1.5 V.

Зарисуйте формы входного и выходного сигналов. Определите время нарастания trise выходного сигнала при ООС по переменному току.

К п.5.2.2.1. Разумеется, в программе EWb можно получить данные для построения АЧХ описанным выше способом, но здесь существует более быстрый способ получения АЧХ через моделирования анализа по переменному току. С ним и ознакомимся.

Соберите схему усилителя (рисунок 5.2). Вид входного источника не имеет значения, лишь бы какой-нибудь присутствовал. Осциллограф тоже не нужен, он установлен для следующего опыта.

Рисунок 5. 2

Сначала обеспечиваем появление на схеме имен ее узлов (Show nodes) по команде Circuit/Schematic Options. Затем по команде Analysis/AC Frequency вызываем диалоговое окно, в котором выбираем узел схемы для анализа, устанавливаем параметры анализа и включаем моделирование (Simulate). После этого появляется результат анализа, т.е. АЧХ исследуемого устройства.

Исследовать влияние емкостей конденсаторов в схеме усилителя на его  частотные характеристики можно, изменяя их параметры и получая АЧХ при каждом новом значении емкости. Но система моделирования Electronics Workbench предоставляет более быстрый способ проведения такого исследования путем организации параметрического анализа. Для этого по команде Analysis/Parameter Sweep вызываем соответствующее диалоговое окно, в котором выбираем узел схемы для анализа, выбираем вид анализа (AC Frequency Analysis) и исследуемый элемент (Component), пределы изменения его параметра (Start value, End value) и шаг его изменения (Increment step size), а затем включаем моделирование (Simulate). После этого появляется результат анализа, т.е. несколько АЧХ исследуемого устройства с определенным шагом в пределах установленного параметра.

Проведя параметрический анализ по влиянию емкости во входной цепи на АЧХ усилителя, скопируйте полученные результаты и по ним сделайте соответствующие выводы.

Аналогично исследуйте влияние емкости в эмиттерной цепи на АЧХ усилителя.

К п.5.2.2.2. Подайте на вход усилителя прямоугольный сигнал с частотой 5 MHz и амплитудой 10 mV.

Включите моделирование. Зарисуйте временную диаграмму выходного сигнала усилителя и по ней определите время ее нарастания. Удобно будет работать с расширенным вариантом осциллографа, который предоставляет возможности проведения соответствующих измерений по временным диаграммам сигнала.

Изменяя емкости конденсаторов в схеме усилителя, исследуйте их влияние на время нарастания ее выходного сигнала. Объясните полученные результаты.

5.5   Вопросы

1. Поясните причины появления нелинейных искажений в усилителе.

2. Каким параметром характеризуется степень нелинейных искажений в усилителе?

3. Чем обусловлены частотные искажения выходного сигнала усилителя?

4. Каким параметром характеризуются частотные искажения в усилителе?

5. Как классифицируются усилители по частотным характеристикам?

6. Как определяется полоса пропускания усилителя?

7. Как определяется время нарастания выходного сигнала усилителя?

8. Каково назначение конденсаторов С1 и С2 в схеме усилителя?

9. Какую роль играет конденсатор С3 в схеме усилителя?

6 Лабораторная работа 6. Эмиттерный повторитель

6.1   Цель работы:

-       определение коэффициента усиления эмиттерного повторителя по экспериментальным данным;

-        определение входного и выходного сопротивлений эмиттерного повторителя;

-       использование эмиттерного повторителя в стабилизаторах напряжения и определение коэффициента стабилизации;

-       исследование двухтактных усилителей.

6.2   Рабочее задание

6.2.1     Исследования на стенде Degem Systems

6.2.1.1         Исследовать работу эмиттерного повторителя.

6.2.1.2         Исследовать возможности использования эмиттерного повторителя в стабилизаторе напряжения.

6.2.1.3         Исследовать работы двухтактного усилителя.

6.2.2     Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

6.2.2.1         Провести виртуальное исследование работы эмиттерного повторителя.

6.3   Оборудование рабочего места:

-       лабораторный стенд PU-2000;

-       съемная плата EB-111;

-       соединительные провода и перемычки;

-       мультиметр;

-       функциональный генератор;

-       двухлучевой осциллограф;

-       компьютер с загруженной программной средой Electronics Workbench.

6.4    Методические указания к выполнению работы

6.4.1     Краткие сведения из теории

Схема усилителя с общим коллектором (ОК) или эмиттерного повторителя представлена на рисунке 6.1. Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОК определяется из следующего выражения

.

(6.1)

Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим коллектором приближенно равен 1, поскольку сопротивление эмиттерного перехода транзистора re обычно очень мало по сравнению с сопротивлением RE. Из-за этого свойства каскад называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление усилителя rin  по переменному току экспериментальным путем определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения и входного тока

.

(6.2)

Рисунок 6.1

Входное сопротивление rin.ef эмиттерного повторителя (emitter follower)  по переменному току через параметры элементов цепи определяется следующим выражением

.

(6.3)

В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во внимание сопротивления резисторов R1 и R2. С учетом сказанного получим

.

(6.4)

Также при расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, которая включается параллельно сопротивлению RE.

Из выражений для сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает высоким входным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ.

В общем случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя в βАС+1 раз меньше сопротивления RS (source) источника сигнала на входе эмиттерного повторителя

.

(6.5)

Если сопротивление RS источника сигнала на входе эмиттерного повторителя пренебрежимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно дифференциальному сопротивлению перехода база-эмиттер

.

(6.6)

В случае, когда сопротивление RS источника сигнала на входе очень велико (сравнимо с βАС + RE), сопротивление RЕ должно быть учтено как включенное параллельно найденному выходному сопротивлению эмиттерного повторителя.

Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерения напряжения холостого хода Uхх (на выход каскада подключается сопротивление порядка 200 kOhm и измеряется падение напряжения на нем) и измерения выходного напряжения Uout при наличии нагрузки сопротивлением UL. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле

.

(6.7)

Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлениям, каскад с общим коллектором очень часто используют в качестве согласующего устройства между источником и нагрузкой.

Двухтактный усилитель состоит из двух транзисторов противоположных типов, работающих поочередно: в течение полупериода – один из них, а в следующий полупериод – другой. Это позволяет получить на выходе такого усилителя более мощный сигнал, что и определяет их назначение – усилитель мощности, устанавливаемый в оконечном каскаде усилительного устройства.

6.4.2     Порядок выполнения рабочего задания

К п.6.2.1.1. Вставьте съемную плату EB-111 в лабораторный стенд и выясните на ней размещение цепи с транзистором Q2. Соберите схему, изображенную на рисунке 6.2. Установите напряжение источника PS-1, равным 5 V. Установите генератор на формирование треугольных сигналов с частотой 2 kHz и амплитудой 3 V.

Пронаблюдайте входной и выходной сигналы и зарисуйте их.

Измерьте амплитуду выходного сигнала при приведенных в таблице 6.1 значениях амплитуды входного сигнала и запишите их в таблицу. Повторите измерения с R17 = 100 Ohm, соединив  его вместо  R10 = 10 kOhm.

Т а б л и ц а   6.1

Uin, V

-3

-2

-1

-0.5

0

0.5

1

2

3

Uout, V(R10=10 kOhm)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uout, V (R17=100 Ohm)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.2

К п.6.2.1.2. Соберите схему, изображенную на рисунке 6.3. Практически это осуществляется соединением двух блоков на плате, как показано на рисунке 6.4.

Рисунок 6.3

Рисунок 6.4

Установите PS-1 приблизительно на 9V. Измерьте напряжения на стабилитроне UD3 и на выходе (эмиттер Q2)

UD3 = ___V,         Uout = ___V.

Соедините R17 = 100 Ohm вместо  R10 = 10 kOhm и повторите измерения

UD3 = ___V,         Uout = ___V.

Вычислите коэффициент стабилизации

 = ____%.

Сравните с результатом, полученным при исследовании простейшего стабилизатора в лабораторной работе 1.

К п.6.2.1.3. Соберите схему, изображенную на рисунке 6.5, и установите PS-1 и PS-2 на 10 V. Подсоедините к схеме генератор Vin и установите его на формирование треугольного сигнала с частотой 2 kHz и амплитудой 3 V. Пронаблюдайте и зарисуйте осциллограммы сигналов.

Рисунок 6.5

Измерьте амплитуду выходного сигнала при приведенных в таблице 6.2 значениях амплитуды входного сигнала и запишите их в таблицу.

Т а б л и ц а   6.2

Uin, V

-3

-2

-1

-0.5

0

Uout, V(R10=10 kOhm)

 

 

 

 

 

Uout, V (R17=100 Ohm)

 

 

 

 

 

Повторите измерения с R17, соединив  его вместо  R10.

К п.6.2.2.1. Соберите схему, изображенную на рисунке 6.6. Установите генератор на формирование треугольных сигналов с частотой 1 kHz и амплитудой 200 mV.

Включите схему. Пронаблюдайте входной и выходной сигналы и зарисуйте их.

Измерьте амплитуды входного и выходного сигналов. По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению.

Подключите ключом [Space] резистор RD, размещенный на входе схемы и измерьте амплитуды входного и выходного сигналов. По результатам измерений амплитуды входного сигнала в этом и предыдущем пунктах вычислите входной ток. По величинам iin и uin вычислите дифференциальное входное сопротивление rin.

Закоротите резистор, замкнув ключ. Измените номинал резистора RL до 200 kOhm. Затем включите схему и запишите результат измерения амплитуды выходного напряжения. Это напряжение приблизительно равно напряжению холостого хода, так как сопротивление 200 kOhm можно считать разрывом цепи. Уменьшите значение этого сопротивления до 200 Ohm и снова включите схему. Измерьте амплитуду напряжения на нагрузке. Вычислите выходное сопротивление каскада по результатам измерений.

Рисунок 6.6

6.5   Вопросы

1. Какова разность фаз между входным и выходным синусоидальными сигналами в эмиттерном повторителе? А как в схеме с ОЭ?

2. Почему значение коэффициента усиления по напряжению у эмиттерного повторителя меньше единицы?

3. Велико ли значение выходного сопротивления эмиттерного повторителя?

4. В чем заключено главное достоинство схемы эмиттерного повторителя?

5. В чем главное назначение эмиттерного повторителя?

6. Как работает двухтактный усилитель и где он используется?

7. Как практически определяется выходное сопротивление усилительного каскада?

7 Лабораторная работа 7. Усилитель на полевом транзисторе

7.1   Цель работы:

-       определение режима по постоянному току усилителя на полевом транзисторе;

-       получение АЧХ усилителя на полевом транзисторе и определение полосы его пропускания.

7.2   Рабочее задание

7.2.1     Исследования на стенде Degem Systems

7.2.1.1         Определить режим по работы постоянному току усилителя на полевом транзисторе.

7.2.1.2         Исследовать частотную характеристику усилителя на полевом транзисторе.

7.2.1.3         Определить влияние нагрузки на работу усилителя.

7.2.2     Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

7.2.2.1         Определить влияния рабочей точки на характеристики усилителя.

7.2.2.2         Получить частотную характеристику усилителя непосредственно.

7.3   Оборудование рабочего места:

-       лабораторный стенд PU-2000;

-       съемная плата EB-111;

-       соединительные провода и перемычки;

-       мультиметр;

-       функциональный генератор;

-       двухлучевой осциллограф;

-       компьютер с загруженной программной средой Electronics Workbench.

7.4    Методические указания к выполнению работы

7.4.1     Краткие сведения из теории

Усилитель на полевом транзисторе по структуре подобен усилителю на биполярном транзисторе, кроме того, необходимо обеспечить отрицательное смещение по входу.

Усилитель на полевом транзисторе может быть собран по схеме с общим истоком (ОИ) или с общим стоком (ОС). Для достижения требуемых параметров усилителя может быть осуществлено каскадирование и добавлены другие цепи, аналогичные применявшимся в усилителе на биполярном транзисторе.

Усилитель на полевом транзисторе имеет меньший коэффициент усиления, но у него более высокое входное сопротивление и низкий шум и он менее чувствителен к воздействию внешнего излучения.

7.4.2     Порядок выполнения рабочего задания

К п.4.2.1.1. Вставьте съемную плату EB-112 в лабораторный стенд и соберите схему, изображенную на рисунке 7.1. Установите напряжение источника PS-1 для получения VDD = 12 V. Регулировкой потенциометра RV1 установите стоковое напряжение примерно равным половине стокового источника, т.е. VD = 6 V.

Измерьте напряжения по постоянному току и запишите полученные значения в таблицу 7.1.

Рисунок 7.1

Т а б л и ц а   7.1

US, V

UD, V

UG, V

 

 

 

К п.7.2.1.2. Соберите схему усилителя переменного тока (Рисунок 7.2) и подсоедините к ней осциллограф (RL = RI = 10 kΩ). Отрегулируйте входной генератор на формирование сигнала с амплитудой 100 mV и частотой 100 kHz.

Измерьте входное и выходное напряжения и запишите полученные значения в таблицу 7.2. (При необходимости отрегулируйте смещение изменением RV1 для получения более высокого усиления).

Устанавливая частоту сигнала генератора соответственно заданным в таблице 7.2 значениям, запишите полученные значения выходного напряжения. При каждом измерении убеждайтесь, что значение входного напряжения не изменилось.

Вычислите для каждого измерения коэффициент усиления AV = UOUT/UIN.

По полученным данным постройте АЧХ усилителя и по ней определите его полосу пропускания.

Рисунок 7.2

Т а б л и ц а   7.2

F, kHz

VIN, V

VOUT, V

AV

0.1

 

 

 

0.2

 

 

 

0.5

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

5

 

 

 

10

 

 

 

50

 

 

 

100

 

 

 

К п.7.2.1.3. Установите частоту генератора на 1 KHz.

Измерьте UIN и UOUT при RL = R1 и запишите их в таблицу 7.3. Вычислите коэффициент усиления.

Повторите измерения и вычисление при RL = R2. Отметьте изменения, происшедшие с изменением нагрузки.

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а   7.3

RL, kΩ

VIN, V

VOUT, V

AV

RL = 1 kΩ

 

 

 

RL = 2 kΩ

 

 

 

К п.4.2.2.1. Соберите схему усилителя на полевом транзисторе (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3

Установите генератор на формирование сигнала с амплитудой 10 mV и частотой 1 kHz. Пронаблюдайте и зарисуйте формы входного и выходного сигналов. Определите коэффициент усиления усилителя.

Увеличивая значение входного сигнала, пронаблюдайте за изменением выходного сигнала усилителя. Отметьте происшедшие изменения.

Изменив смещение в ту и другую сторону (RS = 100 Ohm  и RS = 200 Ohm), повторите опыты. Объясните происшедшие изменения выходного сигнала.

К п.7.2.2.2. Восстановите первоначальные параметры схемы и проведите анализ по переменному току, т.е. получите АЧХ усилителя.

По полученной АЧХ определите полосу пропускания усилителя.

Изменяя емкости разделительных конденсаторов, пронаблюдайте за изменением АЧХ усилителя. Объясните происшедшие изменения.

7.5   Вопросы

1. Объясните структуру и принцип работы усилительного каскада на полевом транзисторе.

2. Какие условия необходимо обеспечить для того, чтобы усилитель работал без искажений?

3. Как влияет выбор рабочей точки транзистора по постоянному току на форму выходных сигналов усилительного каскада?

4. Как задается рабочая точка транзистора по постоянному току?

5. Каково назначение конденсаторов С1 и С2?

 

Список литературы

1. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. – М.: Высш. шк., 1987.

2. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника / Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Радио и связь. 2003.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с. нем. – М.: Мир, 1982.

4. Сугано Т., Икома Т., Такэиси Ё. Введение в микроэлектронику: Пер. с яп. – М.: Мир, 1988.

5. Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных устройств. Аналоговые и импульсные устройства. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

6. Шанаев О.Т. Система моделирования Electronic Workbench / на казахском и русском языках. – Алматы, 2003.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение3

1 Лабораторная работа 1. Полупроводниковый диод4

2 Лабораторная работа 2. Биполярный транзистор

3 Лабораторная работа 3. Полевой транзистор

4 Лабораторная работа 4. Транзисторный усилительный каскад

5 Лабораторная работа 5. Частотные характеристики усилителя

6 Лабораторная работа 6. Эмиттерный повторитель

7 Лабораторная работа 7. Усилитель на полевом транзисторе

Список литературы